超短波跳频通信仿真与抗干扰性能分析

潘中彬，李 利

（1.海军大连舰艇学院 二大队学员八队，辽宁 大连 116018；2.海军大连舰艇学院 信息系统系，辽宁 大连 116018）

超短波跳频通信综合了超短波通信与跳频通信的优点，是具有抗干扰能力的一种视距通信方式。论文将介绍其基本原理并进行仿真，分析其抗干扰能力，并提出改进建议。

1 超短波跳频通信的理论基础

超短波通信是利用在米波波段的信号进行通信的，又被称为甚高频通信[1-2]。它具有通信频带宽、通信容量大、可以复用频率、传播距离近、易受地形影响的特点。跳频通信是用伪随机码来控制通信频率使其进行近似随机的跳变的通信过程，具有较强的抗干扰能力。

1.1 跳频通信系统模型

跳频通信系统一般由时钟信号、伪随机码产生器、频率合成器、跳频解调器和信息解调器等部件组成[3]，如图1所示。

图1 典型跳频通信系统组成

时钟信号主要用来使系统同步；伪随机码产生器用来根据时钟变化产生伪随机码信号；信息调制器、跳频解调器、信息解调器主要用来实现信息的调制与解调；频率合成器对产生的伪随机码转换生成特定频率的信号。由于跳频通信对时钟同步的要求比较高，因此，在跳频通信系统中，一般采用FSK、ASK调制方式。

1.2 典型跳频序列

m序列、M序列、Gold序列是典型的3种跳频序列。

m序列是非常重要的一种伪随机码序列。它是基于移位寄存器和线性反馈方式产生的具有周期的伪随机序列。在n级二进制位移寄存器中，理论上可以产生最大长度为2n-1的伪随机码。

M序列与m序列类似，它也是由移位寄存器和反馈组成的，只是反馈变为了非线性反馈。由于它的反馈逻辑是非线性的，其中有更加复杂的运算逻辑，所以它最大的优势就是产生的序列数量大[4]。

Gold序列是从m序列中改进而来的，它是由一对特定的m序列（优选m序列）进行模二相加得到的。它的产生结构较为简单，也是非常常见的一种伪随机码，并且具备优异的自相关和互相关特性。

2 典型干扰方式

跳频通信的主要目的是抗干扰，跳频通信系统遭受的典型干扰主要有噪声干扰、音调干扰等。

2.1 噪声干扰

噪声干扰从频域范围内能够划分为3种：全频带噪声干扰、部分频带噪声干扰和窄带噪声干扰。

全频带噪声干扰是指使用宽带噪声，对通信信号覆盖的所有频带范围进行干扰，它又被叫作阻拦式干扰。这种干扰方式对整个通信频率范围都能够产生较好效果。

部分频带噪声干扰是针对接收机的多个频率范围施加的噪声干扰，它可以对通信系统中的部分频段进行干扰，这种干扰方式会遗漏部分频率范围，通信方可以利用未被干扰的频率进行通信来减小影响[4]。

窄带噪声干扰是针对特定频率进行的噪声干扰，它只能干扰单一频率及该频率附近的频带上的信号，因此干扰效果一般。

2.2 音调干扰

音调干扰可以从干扰频率的数量上划分，主要有单音干扰、多音干扰和线性扫频干扰[5]。

单音干扰是使用单频信号对通信系统进行干扰的方式，它只能干扰特定频率。它的干扰信号是频率固定的连续波s（t）：

从单音干扰中发展而来的多音干扰，是由多个单音干扰信号合成的干扰模式，具有同时对多个频率进行单音干扰的能力。它的干扰信号s（t）表达式为：

干扰信号的干扰频率随时间不断线性变化的就称为线性扫频干扰，它的瞬时干扰与单音干扰类似，扫频干扰利用一个相对较窄的窄带信号在一定周期内重复扫描某个干扰频带，信号s（t）表达式为[6]：

3 仿真模型及抗干扰性能分析

3.1 跳频通信系统仿真模型

由于Simulink仿真中，跳频的同步可以严格实现，所以，此次仿真采用2FSK调制方式和相关解调的解调方式。仿真主要由信号产生部分、信号调制部分、跳频部分、信号传输部分、信号接收部分、信号解调部分和误码率计算部分组成，并包含了3个子系统[7]，如图2所示。

图2 基于Simulink的跳频通信系统仿真图

2FSK调制子系统是用来完成数字信号的2FSK调制，主要由两个信号源和一个转换开关组成。若输入信号为1，转换开关接通上支路，输出频率为f1的信号；反之，输出频率f2的信号。这样就完成了该模型中信号的2FSK调制。

跳频子系统是本模型的关键，该模块由伪随机序列产生器、缓存器、整数变换器、解缓存器、零阶采样保持电路和压控振荡器组成，如图3所示。

图3 跳频子系统结构图

2FSK解调子系统是由两个带通滤波器、两个低通滤波器、两个信号发生器、一个减法器以及一个判决模块组成，如图4所示。两个带通滤波器分别将频率为f1、f2的信号滤出，然后让其分别与调制时的原始信号相乘，进行相干解调，随后将基带信号用低通滤波器滤出，判别器采用大小对比法，当上支路信号幅度大于下支路信号幅度时，判别为1，反之，判别为0。

图4 2FSK解调模块结构图

3.2 仿真结果及分析

随机整数发生器的模设为2、采样周期设为0.1 s，即可每0.1 s产生一个随机的二进制信号，调制子系统中上支路信号的频率设置为20 Hz，幅度为3，下支路信号的频率设置为40 Hz，幅度为3，用以完成2FSK调制。

在跳频子系统中，伪随机码持续时间设为0.05 s，寄存器设置为5位，即每5位随机码整合为一个整数，就产生了范围在0~31之间的随机整数，即本次仿真采用的跳频速率为4跳/s。由于常用的超短波通信频段在100 MHz以下，设置压控振荡器的中心频率为40 MHz，灵敏度为1 MHz，幅度为3，这样产生的跳频载波频率在40~72 MHz之间，频带间隔1 MHz，用以仿真超短波跳频通信。

跳频信号在经过信道时被叠加上有限带宽白噪声，以模拟通信的时候信道中的噪声，经过2FSK解调，如图5所示，可以看出，输出的波形与原始波形比较吻合，信号误码率计算单元显示出了此通信系统的误码率为0.0099，能够达成可靠的通信。

图5 原始信号（上）与解调信号（下）

3.3 噪声干扰仿真分析

接下来利用Simulink仿真了前文提到的全频带噪声干扰和单音干扰下的通信情况，用以论证跳频通信系统对不同干扰模式的对抗性能。

全频带噪声干扰可以直接利用AWGN Channel模块产生宽带高斯白噪声，设置为信噪比模式，来表示对全频带高功率的压制性干扰，将该模块直接链接到跳频通信系统仿真模型中，设置AWGN信噪比为-15 dB时，如图6所示，得到全频带干扰下的跳频通信波形与误码率[8]。

图6 全频带干扰原始信号（上）与解调信号（下）波形

可以看到波形发生较多错误，此时显示器显示，误码率达到了0.1089，明显比普通白噪声下的误码率提高。此时，这种干扰使整个系统发生了较多错误，甚至可以使通信中断。

单音噪声干扰可以直接利用信号发生器模块产生单频信号，将该模块添加到跳频通信系统仿真模型中的信道部分，设置为正弦波形，幅度为3，频率50 MHz，如图7所示，得到单音干扰下的跳频通信波形与误码率。

图7 单音干扰下原始信号（上）与解调信号（下）

可以看到波形并未发生明显的变化，此时误码仪显示，误码率为0.0297，与普通白噪声下的误码率相比提高不明显。此时，这种干扰并未使系统发生较多错误，不会造成通信中断。

以上的仿真进一步验证了前文提到的跳频通信抗干扰能力，且干扰信号的频带范围越宽、功率越高时，对跳频通信系统产生的影响越大。因此，应对跳频通信系统时，应当尽可能提高干扰信号的频带范围，尽量做到全频带高功率压制性干扰。

3.4 模型分析与改进

本模型基本实现了对跳频系统关键技术的模拟，和对相关性能指标测算的过程，同时在仿真时添加了信道中的噪声与干扰，具有一定的普适性；但忽视了现实条件下跳频模块难以同步的难点，使跳频序列同步过于理想化，在考虑信道中的噪声和干扰时，只考虑了最简单的情况，模型较理想化。

在接下来模型的改进上，可以进一步提高干扰信号的复杂性，也可以再添加时钟模块，模拟系统的同步过程；同时应当增加其他的衡量系统性能的方式，使结果更加严谨。

4 结束语

随着技术的发展进步，许多新兴的跳频通信改进技术随之出现了，如快速跳频通信技术、跳频通信组网技术、自适应跳频通信技术等。同时超短波跳频通信技术在军事应用中逐渐发挥出巨大的效能，使得对于超短波跳频技术的研究也逐步深入。

论文介绍了超短波跳频通信的基本原理并进行了模型仿真，简要分析了超短波跳频通信系统的抗干扰能力，进一步论证了其抗干扰性能，对超短波跳频通信的应用与发展具有参考价值。